blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-9-695-701blackmet-1403Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESПолучение комплексного сплава из высококремнистой марганцевой руды и высокозольных углей КазахстанаProduction of complex alloy from high-silicon manganese ore and high-ash coals of KazakhstanМухамбетгалиевЕ. К.MukhambetgalievE. K.

Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Металлургические расплавы».

100009, Караганда, ул. Ермекова, 63

Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher of the Laboratory “Metallurgical Alloys”.

Karaganda

mr._west@inbox.ruЕсенжуловА. Б.EsenzhulovA. B.

Кандидат технических наук, президент.

030008, Актобе, ул. М. Маметовой, 4 «А»

Cand. Sci. (Eng.), President.

Aktobe

РощинВ. Е.RoshchinV. E.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Пирометаллургические и литейные технологии».

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Pyrometallurgical and Foundry Technology”.

Chelyabinsk

Химико-металлургический институт им. Ж. АбишеваКазахстанChemical-Metallurgical Institute named after Zh. AbishevKazakhstanТНК «Казхром, АОКазахстанJSC TNC KazchromeKazakhstanЮжно-Уральский Государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian Federation201821102018619695701Copyright © Мухамбетгалиев Е.К., Есенжулов А.Б., Рощин В.Е., 20182018Мухамбетгалиев Е.К., Есенжулов А.Б., Рощин В.Е.Mukhambetgaliev E.K., Esenzhulov A.B., Roshchin V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1403

Приведены результаты разработки теоретических и технологических основ получения комплексного кремний-алюминий-марганцевого сплава из высококремнистой марганцевой руды, высокозольных углей Карагандинского и Тениз-Коржункольского угольных бассейнов (угольных месторождений Борлы и Сарыадыр), кварцита месторождения Тектурмас и длиннопламенного угля месторождения Шубарколь. Проведением термодинамически-диаграммного анализа четырехкомпонентной системы Fe – Si – Al – Mn, построенного на основе справочных данных и рассчитанных термодинамических данных (для соединений с неизвестными термодинамическими данными) создана математическая модель фазовой структуры. Составы алюмосиликомарганца, полученного из углей Карагандинского и Тениз-Коржункольского угольных бассейнов, в отличие от сплава АМС из экибастузских углей, сдвинуты в области тетраэдров с относительно большими объемами. Данный факт свидетельствует об их повышенной устойчивости и технологической предсказуемости. Результаты проведенных серий экспериментальных испытаний в руднотермической печи показали возможность получения сплава алюмосиликомарганец регулируемого химического состава с использованием высокозольных углей месторождений Борлы и Сарыадыр, некондиционной высококремнистой марганцевой руды месторождения Западный Камыс с добавкой в шихту длиннопламенного угля месторождения Шубар коль и кварцита месторождения Тектурмас непрерывным бесшлаковым способом. Химический состав сплава регулировали добавкой марганцевой руды в навеску шихтовых материалов. Получен комплексный сплав с химическим составом, % (по массе): 32  –  53  Si; 15,5  –  25,0  Al; 12  –  32  Mn; 8 – 20 Fe; 0,02 – 0,05 P; 0,2 – 0,5 C. Полученный металл не рассыпается в порошок при хранении. Это обеспечивается низким содержанием фосфора и высоким содержанием алюминия (более 10 %). Определены фазовые составляющие опытного сплава. Использование отвальных высокозольных углей, некондиционных марганцевых руд и полное исключение кокса обеспечивают низкую себестоимость сплава. Комплексный сплав предлагается применять для раскисления и легирования стали, а также в качестве восстановителя при получении рафинированных сортов ферромарганца.

The article presents theoretical and technological foundations for the production of complex alumosilicomanganese alloy (ASM) from high-silicon manganese ore, Karaganda high-ash coals and Teniz-Korzhunkol coal basins (Borly and Saryadyr coal deposits), Tekturmas deposit quartzite and long-flame coal of Shubarkol field. Based on the reference data and calculated thermodynamic data (for compounds with unknown thermodynamic data), a mathematical model of the phase structure was constructed by conducting a thermodynamic-diagram analysis of four-component Fe – Si – Al – Mn system. The compositions of alumosilicomanganese obtained from the coals of Karaganda and Teniz-Korzhunkol coal basins, in contrast to ASM alloy from Ekibastuz coals, are shifted in the region of tetrahedra with relatively large volumes. This fact indicates their increased stability and technological predictability. The results of the series of experimental tests carried out in an ore-thermal furnace has shown the possibility of obtaining an ASM alloy with controlled chemical composition using high-ash coals of Borly and Saryadyr fields, the substandard high-silica manganese ore of Zapadny Kamys field, addition of long-flame coal from Shubarkol deposit and quartzite of Tekturmas deposit to the mix by continuous slag-free process. Chemical composition of the alloy was regulated by addition of manganese ore to the sample of charge materials. A  complex alloy was obtained with the following chemical composition (%  by mass): 32  –  53  % of Si; 15.5  –  25.0  % of Al; 12  –  32  % of Mn; 8  –  20  % of Fe; 0.02  –  0.05  % of P; 0.2  –  0.5  % of C. The resulting metal does not crumble into powder when stored. This is ensured by low phosphorus content and high aluminum content of more than 10  %. Phase components of the experimental alloy were determined. The use of dumping high-ash coals, substandard manganese ores and the complete elimination of coke use ensure a low cost of the alloy. It is proposed to use this alloy for deoxidation and alloying of steel, and also as a reducing agent in the production of refined ferromanganese grades.

высокозольный угольвысококремнистая марганцевая рудатермодинамически-диаграммный анализметаллическая системапетрографический анализплавкаалюмосиликомарганецфазовый состав сплаваhigh-ash coalhigh-silica manganese orethermodynamic-diagram analysismetallic systempetrographic analysismeltingalumosilicomanganese (AlSiMn)phase composition of the alloyReferencesТолымбеков М.Ж., Ахметов А.Б. Применение комплексных ферросплавов в металлургии // Сталь. 2007. № 8. С. 51 – 52.Tolymbekov M.Zh., Akhmetov A.B. Application of complex ferroalloys in metallurgy. Stal’. 2007, no. 8, pp. 51–52. (In Russ.).Толымбеков М.Ж., Ахметов А.Б., Байсанов С.О. и др. Некоторые аспекты производства и применения комплексных ферросплавов в металлургии // Сталь. 2009. № 5. С. 34 – 37.Tolymbekov M.Zh., Akhmetov A.B., Baisanov S.O., Ogurtsov E.A., Zhiembaeva D.M. Production and use of complex ferroalloys in metallurgy. Steel in Translation. 2009, vol. 39, no. 5, pp. 416-419.Бородаенко Л.Н., Такенов Т.Д., Габдуллин Т.Г. Электротермия комплексных сплавов с активными элементами. – Алма-Ата: 1990. – 120 с.Borodaenko L.N., Takenov T.D., Gabdullin T.G. Elektrotermiya kompleksnykh splavov s aktivnymi elementami [Electrothermics of complex alloys with active elements]. Alma-Ata: 1990, 120 p. (In Russ.).Szudio A., Jastrzebski R. Wybrane aspektu teoretyczne i practyczne zastosowania ztoru FeSiAl w procesie obtleniania stali // Hutnik (PRL). 1981. Vol. 48. No. 8 – 9, P. 371 – 375.Szudio A., Jastrzebski R. Wybrane aspektu teoretyczne i practyczne zastosowania ztoru FeSiAl w procesie obtleniania stali. Hutnik (PRL). 1981, vol. 48, no. 8-9, pp. 371–375.Емлин Б.И., Манько В.А., Друинский М.И. и др. Выплавка ферросиликоалюминия из агломерированного боксита // Сталь. 1973. № 10. С. 903 – 904.Emlin B.I., Man’ko V.A., Druinskii M.I., Semenov V.E., Melikaev N.P. Ferrosilicoaluminum smelting of sintered bauxite. Stal’. 1973, no. 10, pp. 903–904. (In Russ.).Манько В.А., Емлин Б.И., Гасик М.И. и др. Исследование и разработка технологии выплавки ферросиликоалюминия // Теория и практика получения и применения комплексных ферросплавов. – Тбилиси, 1974. С. 98 – 99.Man'ko V.A., Emlin B.I., Gasik M.I. etc. Research and development of technology for the smelting of ferrosilicoaluminum. In: Teoriya i praktika polucheniya i primeneniya kompleksnykh ferrosplavov [Theory and practice of complex alloys production]. Tbilisi, 1974, pp. 98–99. (In Russ.).Есенов Ш., Кунаев Д., Мухамеджанов С. Недра Казахстана. – Алма-Ата: Казахстан, 1968. – 468 с.Esenov Sh., Kunaev D., Mukhamedzhanov S. Nedra Kazakhstana [Bowels of Kazakhstan]. Alma-Ata: Kazakhstan, 1968, 468 p. (In Russ.).Друинский М.И., Жучков В.И. Получение комплексных ферросплавов из минерального сырья Казахстана. – Алма-Ата: Наука, 1988. – 208 с.Druinskii M.I., Zhuchkov V.I. Poluchenie kompleksnykh ferrosplavov iz mineral'nogo syr'ya Kazakhstana [Production of complex ferroalloys from mineral raw materials of Kazakhstan]. Alma-Ata: Nauka, 1988, 208 p. (In Russ.).Медведев Г.В., Такенов Т.Д. Сплав АМС. – Алма-Ата: Наука, 1979. – 140 с.Medvedev G.V., Takenov T.D. Splav AMS [ASM alloy]. Alma-Ata: Nauka, 1979, 140 p. (In Russ.).Медведев Г.В., Волков С.С., Лаппо С.И. и др. Возможность производства сплава АМС из низкосортного сырья и использование его в металлургии // Сталь. 1970. № 7. С. 616 – 618.Medvedev G.V., Volkov S.S., Lappo S.I., Takenov T.D., Buketov E.A. etc. The possibility of producing ASM alloy from lowgrade raw materials and its use in metallurgy. Stal’. 1970, no. 7, pp. 616–618. (In Russ.).Бережной А.С. Многокомпонентные системы окислов. – Киев: Наукова думка, 1970. – 544 с.Berezhnoi A.S. Mnogokomponentnye sistemy okislov [Multicomponent systems of oxides]. Kiev: Naukova dumka, 1970, 544 p. (In Russ.).Процюк А.П., Карапетьянц М.Х. О термодинамическом исследовании процессов в многокомпонентных системах // Журнал прикладной химии. 1977. Т. 1. С. 169 – 171.Protsyuk A.P., Karapet’yants M.Kh. Thermodynamic study of processes in multicomponent systems. Zhurnal prikladnoi khimii. 1977, vol. 1, pp. 169–171. (In Russ.).Свойства элементов: Справ. изд. – В 2-х книгах. Кн. 1 / Под ред. М.Е. Дрица. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд. Дом «Руда и Металлы», 2003. – 448 с.Svoistva elementov: Sprav. izd. V 2­kh kn. Kn. 1 [Properties of elements: Reference book. In 2 book. Book 1]. Drits M.E. ed. Moscow: ID Ruda i Metally, 2003, 448 p. (In Russ.).Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Руководство к выполнению термодинамических расчетов. – Л.: ЛПИ им. М.И. Калинина, 1975. – 66 с.Morachevskii A.G., Sladkov I.B. Rukovodstvo k vypolneniyu termodinamicheskikh raschetov [Guide to the implementation of thermodynamic calculations]. Leningrad: LPI im. M.I. Kalinina, 1975, 66 p. (In Russ.).Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Термодинамические расчеты в металлургии: Справочник. – М: Металлургия, 1985. – 137 c.Morachevskii A.G., Sladkov I.B. Termodinamicheskie raschety v metallurgii. Spravochnik [Thermodynamic calculations in metallurgy. Directory]. Moscow: Metallurgiya, 1985, 137 p. (In Russ.).Касенов Б.К., Алдабергенов М.К., Пашинкин А.С. и др. Методы прикладной термодинамики в химии и металлургии. – Караганда: Гласир, 2008. – 332 c.Kasenov B.K., Aldabergenov M.K., Pashinkin A.S. etc. Metody prikladnoi termodinamiki v khimii i metallurgii [Methods of applied thermodynamics in chemistry and metallurgy]. Karaganda: Glasir, 2008, 332 p. (In Russ.).Heath D.L. Mathematical treatment of multicomponent systems // Jour. Amer. Ceram. Soc. 1957. Vol. 40. No. 2. Р. 50 – 53.Heath D.L. Mathematical treatment of multicomponent systems. Jour. Amer. Ceram. Soc. 1957, vol. 40, no. 2, pp. 50–53.Денисов В.М., Пингин В.В., Антонова Л.Т. и др. Алюминий и его сплавы в жидком состоянии. – Екатеринбург: УрО РАН, 2005. – 267 с.Denisov V.M., Pingin V.V., Antonova L.T., Istomin S.A., Pastukhov E.A., Ivanov V.V. Alyuminii i ego splavy v zhidkom sostoyanii [Aluminum and its alloys in liquid state.] Ekaterinburg: UrO RAN, 2005, 267 p. (In Russ.).Моисеев Г.К., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. – М.: Металлургия, 1994. – 353 с.Moiseev G.K., Vatolin N.A., Trusov B.G. Termodinamicheskoe modelirovanie v vysokotemperaturnykh neorganicheskikh sistemakh [Thermodynamic modeling in high-temperature inorganic systems]. Moscow: Metallurgiya, 1994, 353 p. (In Russ.).Мухамбетгалиев Е.К., Байсанов С.О., Байсанов А.С. Термодинамически-диаграммный анализ системы Fe-Si-Al-Mn применительно к описанию составов комплексного сплава – алюмосиликомарганца // Электрометаллургия. 2014. № 4. С. 30 – 35.Mukhambetgaliev E.K., Baisanov S.O., Baisanov A.S. Thermodynamic-diagram analysis of Fe-Si-Al-Mn system as applied to the description of compositions of ASM complex alloy. Elektrometallurgiya. 2014, no. 4, pp. 30–35. (In Russ.).Мухамбетгалиев Е.К, Байсанов С.О., Байсанов А.С., Жиембаева Д.М. Петрографическая оценка высокозольных углей Центрального Казахстана на предмет пригодности для выплавки алюмосиликомарганца // Materials of the IX Int. Sci.-Prsct. Conf. «Unlimited Education and Science – 2013» – Przemysl: Naukaistudia, 2013. Vol. 45. С. 21 – 25.Mukhambetgaliev E.K, Baisanov S.O., Baisanov A.S., Zhiembaeva D.M. Petrographic evaluation of high-ash coals of Central Kazakhstan for their suitability for alumosilicomanganese smelting. In: Materialy IX Miedzynarodowej Naukowi ­ praktycznej konferencji “Wyksztalcenie i nauka bez granic – 2013” [Materials of the 9th Int. Sci.-Prsct. Conf. “Unlimited Education and Science – 2013”]. Przemysl: Nauka i studia, 2013, vol. 45, pp. 21–25.Пат. 25108 РК. Шихта для выплавки алюмосиликомарганца в руднотермической печи / С.О. Байсанов, М.Ж. Толымбеков, Е.К. Мухамбетгалиев и др; заявка № 2010/1180.1, 24.09.2010.Baisanov S.O., Tolymbekov M.Zh., Mukhambetgaliev E.K., Baisanov A.S., Chekimbaev A.F., Esenzhulov A.B. Shikhta dlya vyplavki alyumosilikomargantsa v rudnotermicheskoi pechi [Charge for smelting of alumosilicomanganese in ore-thermal furnace]. Innovative patent of the Republic of Kazakhstan no. 25108. Application no. 2010 / 1180.1, 24.09.2010.Мухамбетгалиев Е.К., Байсанов С.О. , Байсанов А.С., Рощин В.Е. Металлографическая и рентгенофазовая оценка сплава алюмосиликомарганец // Сб. тр. ХVI Междунар. науч. конф. «Современные проблемы электрометаллургии стали». – Челябинск-Магнитогорск, 05 – 09 октября 2015. Ч. 2. Изд. центр ЮУрГУ. С. 196 – 201.Mukhambetgaliev E.K, Baisanov S.O., Baisanov A.S., Roshchin V.E. Metallographic and X-ray phase estimation of the alumosilicomanganese alloy. In: Sbornik trudov ХVI mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii “Sovremennye problemy elektrometallurgii stali” [Proc. of the 16th Int. Sci. Conf. “Modern Problems of Steel Electrometallurgy”, Chelyabinsk-Magnitogorsk, October 05-09, 2015]. Vol. 2. Chelyabinsk-Magnitogorsk: Izdatel'skii tsentr YuUrGU, pp. 196–201.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.